BUNĚČNÁ BIOLOGIE: HISTORIE, CO STUDUJE, APLIKACE A KONCEPTY - BIOLOGIE - 2025

Buněčná biologie je odvětví biologie, která studuje všechny aspekty života buňky. To je, se strukturou, funkcí, evolucí a chováním buněk, které tvoří živé bytosti na Zemi; jinými slovy, vše, co je spojeno s jeho narozením, životem a smrtí.

Je to věda, která integruje velké množství znalostí, mezi nimiž vynikají biochemie, biofyzika, molekulární biologie, výpočetní vědy, vývojová a behaviorální biologie a evoluční biologie, z nichž každá má svůj vlastní přístup a své vlastní experimentální strategie k zodpovězení konkrétních otázek.

Silueta mikroskopu (Zdroj: Karen Arnold přes Wikimedia Commons)

Protože buněčná teorie uvádí, že všechny živé věci jsou složeny z buněk, biologie buněk nerozlišuje mezi zvířaty, rostlinami, bakteriemi, archaea, řasami nebo houbami a může se zaměřit na jednotlivé buňky nebo na buňky patřící do tkání a orgánů stejný mnohobuněčný jedinec.

Vzhledem k tomu, že se jedná o experimentální vědu (spíše než o popisnou), závisí výzkum v tomto odvětví biologie na metodách dostupných pro studium buněčné ultrastruktury a jejích funkcí (mikroskopie, odstřeďování, kultivace) in vitro atd.)

Dějiny buněčné biologie

Někteří autoři se domnívají, že k narození buněčné biologie došlo s příchodem buněčné teorie navržené Schleidenem a Schwannem v roce 1839.

Je však důležité vzít v úvahu, že buňky byly popsány a studovány před mnoha lety, počínaje prvními nálezy Roberta Hookea, který v roce 1665 poprvé spatřil buňky, které tvořily mrtvou tkáň korku; a pokračoval s Antonim van Leeuwenhoekem, který o roky později pozoroval vzorky s různými mikroorganismy pod mikroskopem.

Portrét Roberta Hookea (Zdroj: Gustav VH, přes Wikimedia Commons)

Po práci Hooke, Leeuwenhoek Schleiden a Schwann se mnoho autorů také věnovalo úkolu zkoumat buňky, kterými byly upřesněny podrobnosti týkající se jejich vnitřní struktury a fungování: jádro eukaryotických buněk, DNA a chromozomy, mitochondrie, endoplazmatické retikulum, Golgiho komplex atd.

V polovině 20. století došlo v oblasti molekulární biologie k významnému pokroku. To ovlivnilo skutečnost, že během padesátých let také biologie buněk zaznamenala značný růst, protože během těchto let bylo možné udržovat a množit buňky in vitro izolované od živých organismů.

Pokroky v mikroskopii, odstřeďování, formulaci kultivačních médií, čištění proteinů, identifikaci a manipulaci mutantních buněčných linií, experimentování s chromozomy a nukleovými kyselinami, mimo jiné, daly precedens rychlému rozvoji buněčné biologie na aktuální éra.

Co studuješ? (předmět studia)

Biologie buněk je zodpovědná za studium prokaryotických a eukaryotických buněk; studuje procesy jeho formace, jeho život a smrt. Obvykle se může zaměřit na signalizační mechanismy a strukturování buněčných membrán, jakož i na organizaci cytoskeletu a buněčnou polaritu.

Studuje také morfogenezi, tj. Mechanismy, které popisují, jak se buňky vyvíjejí morfologicky a jak se buňky, které „zrají“ a transformují během svého života, mění v průběhu času.

Kvasinkové buňky druhu Saccharomyces cerevisiae.

Buněčná biologie zahrnuje témata týkající se metabolismu mobility a energie, jakož i dynamiky a biogeneze jejich vnitřních organel, v případě eukaryotických buněk (jádro, endoplazmatické retikulum, Golgiho komplex, mitochondrie, chloroplasty, lysozomy, peroxisomy, glykosomy, vakuoly, glyoxysomy atd.).

Zahrnuje také studium genomů, jejich organizace a jaderné funkce obecně.

V buněčné biologii se studuje tvar, velikost a funkce buněk, které tvoří všechny živé organismy, a také chemické procesy, které se v nich vyskytují, a interakce mezi jejich cytosolickými složkami (a jejich subcelulární polohou) a buňky s jejich prostředím.

Základní pojmy v buněčné biologii

Ilustrace dělení buňky. Zdroj: pixabay.com

Vstup do oblasti buněčné biologie je při zohlednění některých základních znalostí nebo základních konceptů jednoduchým úkolem, protože s nimi as využitím rozumu je možné hlouběji porozumět složitému světu buněk.

Buňky

Schéma dvou typů buněk v přírodě: eukaryoty a prokaryoty. Jsou uvedeny hlavní části, které ukazují rozdíly mezi nimi (Zdroj: Nebyl poskytnut žádný strojově čitelný autor. Předpokládaný Mortadelo2005 (na základě nároků na autorská práva). Via Wikimedia Commons)

Mezi základní pojmy, které je třeba v panoramatu vzít v úvahu, je představa, že buňky jsou základní jednotky života, to znamená, že jsou to „bloky“, které umožňují konstrukci organismů, které můžeme nazvat „živými“, a že všechny díky přítomnosti membrány jsou od extracelulárního prostředí odděleny.

Bez ohledu na jejich velikost, tvar nebo funkci v určité tkáni, všechny buňky vykonávají stejné základní funkce, které charakterizují živé věci: rostou, živí se, interagují s prostředím a rozmnožují se.

DNA

Molekula DNA. Zdroj: wikipedia.org

Ačkoli existují eukaryotické buňky a prokaryotické buňky, které se zásadně liší, pokud jde o jejich cytosolickou organizaci, bez ohledu na to, jaká buňka má na mysli, všechny mají v sobě bez výjimky kyselinu deoxyribonukleovou (DNA), molekulu, která je domovem “ strukturální, morfologické a funkční roviny “buňky.

Cytosol

Schéma živočišné buňky a jejích částí. Cytosol je uveden dole. (Zdroj: Alejandro Porto prostřednictvím Wikimedia Commons)

Eukaryotické buňky mají ve svém cytosolu specializované organely pro různé funkce, které přispívají k jejich životně důležitým procesům. Tyto organely produkují energii z živin, syntézu, balení a transport mnoha buněčných proteinů a také dovoz a trávení velkých částic.

Cytoskeleton

Buňky mají vnitřní cytoskelet, který udržuje tvar, řídí pohyb a transport proteinů a organel, které je používají, a také napomáhá při pohybu nebo přemístění celé buňky.

Jednobuněčné a mnohobuněčné organismy

Existují jednobuněčné a mnohobuněčné organismy (jejichž počet buněk je velmi proměnlivý). Studie buněčné biologie se obvykle zaměřují na „modelové“ organismy, které byly definovány podle typu buňky (prokaryoty nebo eukaryoty) a podle typu organismu (bakterie, zvířata nebo rostliny).

Geny

Geny jsou součástí informací kódovaných v molekulách DNA, které jsou přítomny ve všech buňkách na Zemi.

Ty nejen plní funkce při ukládání a transportu informací potřebných pro stanovení sekvence proteinu, ale také vykonávají důležité regulační a strukturální funkce.

Aplikace buněčné biologie

Existuje velké množství aplikací pro buněčnou biologii v oborech jako je medicína, biotechnologie a životní prostředí. Zde jsou některé aplikace:

Fluorescenční barvení in situ a hybridizace (FISH) chromozomů mohou detekovat chromozomální translokace v rakovinných buňkách.

Technologie mikročipů DNA čipu umožňuje znát kontrolu genové exprese kvasinek během jejího růstu. Tato technologie byla použita k pochopení exprese lidských genů v různých tkáních a rakovinných buňkách.

Fluorescenčně značené protilátky, specifické proti intermediárním vláknovým proteinům, umožňují poznat tkáň, ze které nádor pochází. Tyto informace pomáhají lékaři zvolit nejvhodnější léčbu pro boj s nádorem.

Použití zeleného fluorescenčního proteinu (GFP) k lokalizaci buněk v tkáni. Pomocí technologie rekombinantní DNA je gen GFP zaveden do specifických buněk úplného zvířete.

Příklady nedávného výzkumu v buněčné biologii

Byly vybrány dva příklady článků publikovaných v časopise Nature Cell Biology Review. Jedná se o následující:

Úloha epigenetické dědičnosti u zvířat (Pérez a Ben Lehner, 2019)

Bylo zjištěno, že jiné molekuly, kromě genomové sekvence, mohou přenášet informace mezi generacemi. Tyto informace mohou být upraveny fyziologickými a environmentálními podmínkami předchozích generací.

V DNA tedy nejsou informace spojené se sekvencí (kovalentní modifikace histonů, methylace DNA, malé RNA) a informace nezávislé na genomu (mikrobiom).

U savců ovlivňuje metabolismus glukózy potomstva podvýživa nebo dobrá výživa. Otcovské účinky nejsou gamety vždy zprostředkovány, ale mohou jednat nepřímo prostřednictvím matky.

Bakterie mohou být zděděny matkou prostřednictvím porodního kanálu nebo kojením. U myší vede strava s nízkým obsahem vlákniny ke snížení taxonomické rozmanitosti mikrobiomů po generace. Nakonec dojde k zániku subpopulací mikroorganismů.

Regulace chromatinu a léčba rakoviny (Valencia a Kadoch, 2019)

V současné době jsou známy mechanismy, které řídí strukturu chromatinu a jeho roli v nemoci. V tomto procesu byl klíčový vývoj technik, které umožňují identifikaci exprese onkogenních genů a objev terapeutických cílů.

Některé z použitých technik jsou imunoprecipitace chromatinu s následným sekvenováním (ChIP-seq), sekvenování RNA (RNA-seq), transpoaccessible chromatin test pomocí sekvenování (ATAC-seq).

V budoucnu bude hrát roli při vývoji terapií rakoviny použití technologie CRISPR - Cas9 a interference RNA.

Reference

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… & Walter, P. (2013). Základní buněčná biologie. Věnec věnec.
2. Bolsaver, SR, Shephard, EA, White, HA, & Hyams, JS (2011). Cell Biology: krátký kurz. John Wiley a synové.
3. Cooper, GM a Hausman, RE (2004). Buňka: Molekulární přístup. Medicinska naklada.
4. Lodish, H., Berk, A., Zipursky, SL, Matsudaira, P., Baltimore, D., & Darnell, J. (2000). Molekulární buněčná biologie, 4. vydání. Národní centrum pro biotechnologické informace, polička.
5. Solomon, EP, Berg, LR a Martin, DW (2011). Biology (9. ed.). Brooks / Cole, Cengage Learning: USA.